纳米流体在汽车冷却系统中的应用

白金曼 唐林 王静 张皖

中公高远（北京）汽车检测技术有限公司 北京 101103

引言

随着当今科技的发展和人们生活水平的提高，高质量的汽车已经成为生活不可缺少的交通工具。发动机作为汽车的动力核心装置，其整体效率直接影响汽车的动力性、经济性和稳定性。通过改善发动机散热可以有效提高发动机效率，然而，单纯优化冷却结构已经难以满足发动机的散热要求[1-2]。传统的冷却剂由水和乙二醇按一定比例组成，这个组合传热效率较低[3]，因此需要开发更高效的冷却剂。纳米流体是含有纳米大小（小于100nm）颗粒的流体，具体来说，是由基液中的纳米颗粒组成的一种胶体悬浮液。这种纳米尺寸的颗粒，由于其本身具有较高的导热系数，通常会增加液体的导热性能，并提高冷却剂的传热性能。此外，金属铜也是常用的纳米颗粒，在标准温度和压力条件下，其热导率大约是水的750倍，是发动机油的3050倍。因此，综合来看，相比于传统冷却剂，纳米流体具有更高的传热力和热特性，是最具应用潜力的高效冷却剂。

1 纳米流体的制备方法

合成的纳米流体是一种胶体悬浮液，粒径在1～100nm之间，分散在基液中。制备纳米流体的方法有两种，一种是一步法，另一种是两步法[4]。

1.1 一步法

一步法是一种将纳米颗粒制备与纳米流体合成直接结合的方法[5]。一步法也分为物理法和化学法。物理方法包括气相沉积、激光烧蚀和埋弧。化学方法是使用化学反应来制备纳米流体。一步法的优点是减少了纳米颗粒的团聚，是更具经济性的一种方法。

1.1.1 物理方法。

1.1.1.1 气相沉积：气相沉积法是Choi开发的一种方法，也是当前最常用的方法之一。该方法的过程，首先是原材料在电阻加热容器中被加热和蒸发；然后，蒸汽在遇到冷基液时凝结成纳米级颗粒，从而得到纳米流体。

1.1.1.2 激光烧蚀：该方法在液体环境中，激光脉冲与固体表面作用合成纳米颗粒。与其他方法相比，激光烧蚀技术简单且速度快[6]。

1.1.1.3 埋弧：Lo[7]等人采用埋弧纳米粒子合成系统 （SANSS）方法，制备了Cu-H2O纳米流体。埋弧法可以有效避免离子的聚集，并且能合成分散均匀和尺寸可控的Cu-H2O纳米流体。

1.1.2 化学方法。化学方法在控制粒度、减少团聚方面具有优势，并且可以实现大规模的生产纳米流体[8-9]。Shenoy等报道了通过添加聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的一步化学方法合成氧化铜纳米流体。该研究结果表明，化学法可将纳米流体的稳定性提高约9周[10]。

1.2 两步法

两步法是制备纳米流体最广泛使用的方法。首先，通过物理或化学方法（共沉淀[11]、溶胶-凝胶、溶剂热方法等），预先制备纳米颗粒。然后，将制备的纳米流体经过超声处理。需要注意的是，超声处理的时间、超声处理的功率都是影响纳米流体分散的重要参数，通过合理调控以上参数可有效制备长期稳定并分散均匀的纳米流体。

2 纳米流体在汽车发动机散热系统中应用的研究现状

2014年，Sohel等[12]研究了使用Al2O3-H2O纳米流体冷却剂代替纯水冷却电子设备的微型通道。与纯蒸馏水相比，应用于微通道散热器的Al2O3-H2O纳米流体在电子冷却中的传热性能更好。

2016年，Chen等[13]制备了TiO2纳米流体冷却剂，不仅研究了纳米流体的传热性能外，还根据ASTMD3306标准测试了金属防腐性能。与不含纳米颗粒的基础冷却剂相比，TiO2纳米流体冷却剂的传热性能明显增强。一方面是因为纳米颗粒的存在优化了流体的热物性，提高了导热性；其次，TiO2纳米流体增强了纳米颗粒、流体和流动通道表面之间的相互作用和碰撞；第三，TiO2纳米流体加强了流体的混合波动和湍流。当TiO2纳米颗粒质量浓度为1.0%时，导热率提高了3%，对流传热提高了10%以上。此外，TiO2纳米流体具有良好的金属腐蚀防护能力，流体中的TiO2纳米颗粒在循环条件下对铝泵无损伤。

2019年，Sanij等[14]对含有Al2O3和TiO2纳米颗粒的纳米流体的稳定性和应用进行了总结，发现含有氧化物的纳米流体具有较好的金属防腐蚀性。

在汽车散热器中，由水和乙二醇组成的基础冷却剂，在热传输能力方面存在局限性。2020年，为了突破其局限性，Ashutosh Kumar[15]通过将纳米尺寸的高导热金属和金属氧化物颗粒（氧化铝、氧化铜和氧化锌），分散到60%乙二醇和40%水组成的基础冷却剂中，从而增强了汽车散热器的传热能力。Ashutosh Kumar还研究了纳米粒子的类型、浓度和流速对传热系数和努塞尔数的影响。当氧化铝、氧化锌和氧化铜浓度从0.05%增加到5%时，传热系数提高了45.8%、96.4%和102.4%。由此可发现，传热系数随着纳米粒子浓度逐渐增加，当所有纳米粒子的各个浓度都增加时，传热系数和努塞尔数都随着雷诺数线性增加。这些传热性能的增强，主要是源于固体纳米粒子的高热导率及其在基础冷却剂中的布朗运动。此外，对于纳米离子的流速，发现随着流速的增加，传热系数也显著增加。

综合来看，在最近20年以来，由于纳米流体相较于基础液体具有更高的导热系数，Choi[16]提出了将纳米流体作为车辆冷却系统的冷却剂是非常有前景的。而且，众多研究者（白敏丽、彭小飞、罗逸等）通过对纳米流体进行广泛研究，也证实了纳米流体的优越性。白敏丽[17]将Cu-H2O纳米流体作为内燃机冷却系统中的传热工质，并利用大型通用CFD软件针对其冷却系统进行了整体三维数值模拟，通过计算发现 Cu-H2O纳米流体作为冷却剂可以显著提高内燃机的散热性，并且随着Cu纳米粒子浓度的增大，散热效果也随之增加；将该纳米流体用于汽车发动机冷却系统，可使发动机工作在更优化的温度，使冷却系统更小、更轻，从而节省辅助功率消耗和油耗。彭小飞[18]研究了汽车散热器中纳米流体高温传热的基础问题，分析了纳米流体传热强化机制。罗逸等[19]研发了一种拥有良好防腐性能以及动态传热能力的发动机优能120纳米冷却液，并对纳米冷却液进行了发动机台架试验及尾气污染物检测，表明这种冷却液可以提高发动机的燃烧效率，改善发动机的高温小温差换热，还能促进燃油分子燃烧，降低油耗以及尾气中的污染物。

3 纳米流体目前面临的挑战

目前发动机纳米流体冷却剂的发展依赖于纳米流体的发展，纳米流体进展缓慢的主要问题如下：

3.1 长期稳定性

纳米流体的不稳定性仍然是主要问题，纳米粒子的不稳定会导致传热速率降低。尽管当前还未有研究人员报道出令人满意的纳米流体的稳定的时间跨度，但研究者们已经采取了许多措施来缓解与纳米流体稳定性相关的问题，主要是预防纳米粒子沉降、团聚，其中包括在纳米流体中添加一些酸来控制pH值，使用表面活性剂和超声处理等方法。当前，用于评估纳米流体稳定性的使用最广泛的技术是：zeta电位、离心、光谱和沉降分析[20]。

3.2 纳米颗粒-水的黏度高

纳米颗粒-水的黏度随着溶液中颗粒浓度的增加而增加。因此，粒子质量分数不能无限增加[21]。Pantzali等人[22]报道说，在工业热交换器中，大量的纳米流体通常会产生湍流，因此用纳米流体替代常规流体似乎是不可靠的。Lee[23]报告说，在实际系统中，随着颗粒浓度的增加，黏度迅速增加，所以碳纳米管的体积百分比需要限制在0.2%以下。

3.3 比热容低

从文献中发现，纳米流体的比热容低于基础流体。Namburu等人[24]报道，与基础流体相比，CuO/乙二醇纳米流体、SiO2/乙二醇纳米流体和Al2O3/乙二醇纳米流体表现出较低的比热容。理想的冷却剂应具有较高的比热值，从而使冷却剂能够带走更多的热量。

3.4 金属腐蚀

使用纳米流体的另一个挑战是会对系统造成腐蚀。由于添加了纳米颗粒，在一段时间使用后，会腐蚀系统从而导致泄漏。针对此问题，可以通过冷却剂中添加防腐剂来缓解[25]。

3.5 高成本

由于纳米流体的制备需要使用先进和复杂的设备，纳米流体制备的高成本是限制其在工业发展和应用的主要因素之一。

4 结束语

纳米流体增强传热的确切机制仍不清楚，并且在发动机车辆上的实际应用还存在一些问题和挑战。目前对发动机冷却系统纳米流体的研究仍处于起步阶段，需要进一步发展,纳米流体的稳定性及其生产成本是阻碍纳米流体商业化的主要因素。通过解决这些挑战，预计纳米流体将对汽车的冷却剂产生重大影响。